煤气柜结构设计

煤气柜结构设计(structuraldesignofgasholder)储存煤气的钢制柜体及其钢附件和基础的结构设计。煤气柜的用途是：(1)缓冲煤气产量与用量之间的不平衡，即当产量高于用气量时，将多余的气体储存在柜体内，以补充高峰时供气量的不足；(2)稳定管网压力；(3)混匀煤气成分。按密封方式煤气柜可分为湿式和干式两大类。干式煤气柜与湿式煤气柜相比，有储气压力高、压力稳定、使用寿命长、煤气不增湿、污染少、基础负荷轻、占地面积小及操作安全可靠等优点。现在大多采用干式煤气柜。煤气柜选型见煤气柜设计。中国从20世纪80年代以来，干式煤气柜的采用有了很大发展。上海宝山钢铁总厂建成了15万m3润滑脂橡胶圈密封型煤气柜、12万m3稀油密封型煤气柜及8万m3橡胶薄膜密封型煤气柜。我国设计的2～30万m3的稀油密封型煤气柜已相继投产使用。8万m3的橡胶薄膜密封型煤气柜也已投产。煤气柜结构设计范围包括干式煤气柜和湿式煤气柜。设计主要内容包括计算、钢材选择、防锈涂层和基础设计。湿式煤气柜由下部水槽、中间部分的若干个圆筒形塔节、顶部钟罩、导轨和导轮等组成。煤气储存在钟罩及塔节内，钟罩、塔节随煤气的增减而升降。在水槽、塔节及钟罩间设置水封防止煤气外逸。导轨是钟罩、塔节升降时的导向构件，可分为直立导轨和螺旋导轨两种形式(图1)。湿式煤气柜最高储气压力小于4．5kPa，压力波动范围为1．5～3kPa，最大升降速度为1．2m／min。(1)水槽。壁板和底板均选用钢板，采用对接焊缝拼接，底板中部的长向焊缝也可采用搭接焊缝。水槽上部水压小，可选用较薄的钢板，但厚度不应小于6mm，下部壁板需要考虑边缘效应，并按强度确定其厚度。大型气柜在导轮处的水槽外侧，通常设置壁柱加强，以承受导轮处传来的荷载。壁柱采用钢板，其长度一般为水槽高度的1／3。底板厚度按构造确定，中部一般取6mm，靠近壁板下端的底板取8～10mm钢板，其上设置承托塔节用的垫梁。(2)塔节。由壁板、上挂圈、下挂圈等组成。壁板用3mm钢板拼接后焊在导轨垫板和挂圈上，使塔节形成筒状外形。上下挂圈是用槽钢和钢板制成的环形槽。塔节或钟罩升起时，内侧塔节的下挂圈和外侧塔节的上挂圈钩在一起形成水封并挂起下层塔节。(3)钟罩。由顶板、顶架(包括径向梁、环肋、支撑及顶环)和筒体组成。顶板直接铺设在顶架上，在任何部位都不得与顶架焊接，这是因为气柜充气后，顶板受内压会鼓起。顶板周边采用较厚的外圈板，一般为8～14mm，其宽度经计算确定。顶板中间部分按防腐和避雷接闪要求，采用3～4mm薄钢板。顶架承托顶板荷载(自重和雪荷载等)并承受环向力和径向力。顶架一般是由型钢制成的径向梁和环肋正交组成的空间结构。环肋用角钢制作，与顶架径向梁相连，在部分环肋间，沿径向梁方向设置支撑，以保证径向梁稳定性。当气柜直径大于60m时，可采用空间桁架的顶架。顶环位于顶架顶部中央，作为径向梁的中部支撑点。顶架与筒体的侧壁板组成空间结构，防止充气后由于内压造成顶板和壁板的变形。筒体由侧壁板和挂圈组成，它作为径向梁沿圆周方向的支承点。(4)直立导轨。由内外导轨、立柱、沿竖向间隔一定距离的环梁和立柱之间的交叉支撑组成。立柱作为塔节升降的导向导轨，其顶部高于钟罩上升可达到的高度。立柱数量和截面按承受的风荷载或地震作用经计算确定。煤气柜直径愈大，高度愈高，立柱数量愈多。立柱沿水槽外侧均匀布置，一般选用工字钢制作，大容积煤气柜常采用格架式组合柱。内导轨安装在塔节壁板的内侧。(5)螺旋导轨。常采用24～38kg／m钢轨弯成螺旋形，与水平成45。斜角，均匀地敷设在塔节钟罩外壁，与壁板焊接成一个整体，使塔节、钟罩具有很大刚性。导轨的方向在上下相邻的两个塔节上按相反方向布置，以防止塔节升起时向一方倾斜。螺旋导轨的重量比直立导轨架(包括立柱、环梁及支撑)和导轨要轻15％～30％。在中国当采用湿式煤气柜时，一般采用螺旋导轨。(6)导轮。钟罩和塔节借助导轮沿导轨升降。直立导轨式煤气柜设有外导轮和内导轮。外导轮安装在钟罩顶部外缘和备塔节上挂圈顶部，内导轮安装在钟罩和各塔节下挂圈底部。螺旋导轨式煤气柜的导轮安装在水槽平台或各塔节上挂圈的顶部。导轮承受柜体塔节上的风荷载或地震作用。轮轴材料要求具有良好的抗弯和抗剪能力，轮头要求有较高的耐磨能力，轮轴和轮头一般用铸钢或锻钢制作。干式煤气柜按活塞与柜体间密封形式，可分为稀油密封型或称曼型(MAN型，图2)、润滑脂橡胶圈密封型或称可隆型(Klonne型，图3)和橡胶薄膜密封型或称威金斯型(Wiggins型，图4)三种类型，这三种干式煤气柜的主要区别如表。三种类型干式煤气柜的主要区别类型稀油密封型橡胶薄膜密封型润滑脂橡胶圈密封型外形正多边棱柱形圆柱形圆柱形密封方式稀油密封橡胶夹布帘密封干油润滑活塞形式平板与桁架组成T形挡板与拱形板拱形顶板与支架最大储气压力／kPa8612稀油密封型煤气柜的储气压力最高为8kPa，压力波动范围为±150Pa，活塞最大升降速度为3m／min，适用于储有一般含尘量小于15mg／m3的常温焦炉煤气和高炉煤气。润滑脂橡胶圈密封型煤气柜的储气压力最大有可能达到12kPa，压力波动为±500Pa，活塞升降速度最大为7m／min。这种气柜储气压力较高，可直接配置在高炉煤气管网中，不需建造煤气加压站。橡胶薄膜密封型气柜的储气压力为6kPa，压力波动为500～700Pa；活塞最大升降速度为5m／min，适用于储存湿度较高、含尘量较大的转炉煤气。稀油密封型煤气柜由通风气楼、柜顶盖、柜体、活塞及吊笼、环形走道、柜底板、油槽和电梯等组成(图2)。图2稀油密封型煤气柜1一通风气楼；2一柜顶盖；3柜体；4一活塞；5一环形走道；6一柜底板及油槽(1)通风气楼。供气柜内部换气用。由中间环、径向承重构件、竖向承重构件、屋面板及壁板组成。气楼为圆筒形，顶面呈正多边角锥形。顶部中央放置中间环，沿径向布置承重构件，构件的一端与中间环相连，另一端则支在竖向构件的顶端，竖向构件的下端一般支在柜顶盖的中间环上。通风气楼顶面和侧面采用冷弯板檩合一的面板。通风气楼设有供维护操作人员进入柜内的通道。(2)柜顶盖。由柜顶盖中间环、梯形桁架、板檩合一的面板组成。正多边角锥形的柜顶盖中央设有中间环。沿角锥的棱设置梯形桁架，桁架一端支承在柜体立柱上，另一端与中间环相连，形成空间受力体系。桁架弦杆为钢板焊接的T形组合断面，腹杆采用角钢。(3)柜体。由立柱、壁板组成。为正多边形的筒体。其边数视煤气柜容积的大小，在24到14之间变化。煤气柜的高度与直径的比一般为1．5～1．9。每个角上设有立柱，用以承受气柜的外部荷载及自重，并作为活塞导辊的导轨。立柱采用工字钢制作，并在其翼缘上焊接一块钢板。每根立柱分成数段，在现场拼接。立柱的制作和安装精度十分重要，它关系到煤气柜活塞能否正常运行。柜体侧板亦为冷弯成型、板檩合一的构件，板厚为4～6mm。侧板与立柱焊接，其转角与立柱接触部分施堆焊后加工成直角，以防止煤气留在侧板转角的缝隙内。侧板的高度偏差要严格控制，以免偏差积累造成安装困难。(4)活塞及吊笼。由中间环、放射形焊接梯形桁架和周边支撑组成空间的受力结构。桁架上弦采用钢板焊接的T形组合截面，下弦为工字形，腹杆及支撑系统采用角钢。活塞底部为一平面，采用4～6mm带加筋肋钢板与桁架下弦杆的下翼板相焊接。活塞桁架与其他构件的工地连接采用高强螺栓。活塞底面沿周边设有密封油沟，油沟内配置由滑板、帆布、木块和压紧弹簧组成的密封装置，在油沟内保持一定密封油位来实现活塞与柜壁间的密封。为检查油槽，在活塞外侧下部设有一圈环形平台，活塞中央设有吊笼着陆平台。活塞底板上均匀地安放预制混凝土配重块，使气柜保持稳定的储气压力。(5)环形走道。沿柜体周边设置多层环形走道，供检修维护柜体用。走道宽1．1m，各层走道间设有斜梯相连接。环形走道对柜体还起环向加劲作用。(6)柜底板及油槽。一般采用3mm钢板，柜周边采用6mm钢板。底板依次搭接敷设，接缝间采用单面贴角焊缝连接。底板周边设有油槽，收集沿侧板流下的密封油并排至柜外油泵房。(7)电梯。煤气柜外部设有供检修维护人员乘用的电梯。电梯机房设在电梯井架底部，电梯井架采用冷弯成型的侧板组合成正方形井筒。环形走道间的斜梯附属在电梯井架上，与井架成为整体构件。橡胶薄膜密封型煤气柜由柜顶、柜体、活塞、T形挡板与挡板托架、柜底板等组成(图3)。构造特点是柜体为圆柱形，高度与直径的比例约为0．9。柜壁内侧与活塞间密封采用橡胶夹布帘。图3橡胶薄膜密封型煤气柜1一柜顶；2一柜体；3一活塞；4一T形挡板及挡板托架；5一外密封帘；6内密封帘(1)柜顶。柜顶架为角钢焊接成的拱形网格骨架。由钢板搭接焊缝拼接而成的拱形面板敷设在顶架上，顶板与顶架间不加任何焊接，柜顶中央设有采光通风用的圆形天窗。(2)柜体。由立柱、柜体侧板和环形防风架组成。立柱采用宽翼缘工字钢，分为数段拼装，立柱间距等于弧形侧板的弦长，约为6m，立柱与侧板间留有150mm净空，以便安装时调整。柜体侧板上端设置进风百叶窗和进入柜体的安全门。为保证立柱径向和环向的稳定，柜体外侧设置多层环形防风架，其上设有局部平台，各层平台间有斜梯相连。(3)活塞。由活塞支架、拱形顶板、环形走道、活塞托座等组成。活塞支架布置在柜体立柱处，支架间设置环形走道并用作支架的水平支撑。活塞底板厚度为6mm的钢板，采用搭接连接焊缝组成拱形壳板，最外两圈在搭接部分双面连续施焊，其余底板只在搭接部分的上面焊接。活塞托座为捣制混凝土块，与活塞支架连成整体，托座也起配重作用。为调整活塞水平偏差，设有由滑轮组构成的水平调整装置。(4)T形挡板及挡板托架。T形挡板为焊接型钢支架，设在活塞支架与柜体侧壁之间，用以固定密封用的橡胶夹布帘。外密封帘的一端固定在T形挡板下端，另一端固定在柜体侧壁，内密封帘的一端固定在T形挡板下端，一端固定在活塞支架下端，这样就在气柜侧壁与活塞间形成密封。活塞升降时，活塞支架托着T形挡板连同密封帘随之升降。T形挡板间设有环形走道，供检修维护时用，并起径向和环向稳定作用。挡板托架用于当活塞降至气柜底部时，承托T形挡板。润滑脂密封型煤气柜柜体为圆柱形，活塞为拱顶结构，与橡胶薄膜密封型煤气柜结构类似(图4)。其构造特点是柜体侧壁及活塞之间设有密封橡胶环装置，此装置分上下两部分，上部有三层密封橡胶环，下部有两层胶环，相邻两层胶环间用木垫块隔开。上下两部分密封环用连杆连接并借杠杆系统将密封橡胶环紧贴在煤气柜侧壁上。密封橡胶环装置固定在活塞支架上，随活塞的升降而升降，供油管向密封橡胶环间充填润滑脂，起密封和降低活塞升降时摩擦阻力的作用。图4润滑脂密封型煤气柜1一柜顶I2一柜体l3一活塞；4一活塞支座-5一内部吊笼计算要点：作用于煤气柜上的荷载有风荷载、雪荷载、内部压力、气柜自重、施工荷载和地震荷载。对组成煤气柜的各类构件，要根据其所受荷载和作用进行强度、稳定性及变形验算，使其满足设计规范和有关规定的要求。对于位于地震区的储气柜，还应满足有关抗震设防的要求。钢材选择及钢材消耗量气柜为焊接结构，侧板需要经冷弯加工并受储存气体中硫化氢、冷凝水以及大气中二氧化碳等侵蚀，应采用含碳量低、可焊性好、有良好塑性的钢材，并要求抗拉强度、屈服强度、延伸率、冷弯性能以及碳、硫和磷含量符合有关标准的规定。在中国，侧板一般采用国家标准《碳素结构钢》中的Q235B或C级镇静钢，其他构件采用Q235B级沸腾钢。各类型煤气柜钢材消耗量见表1。表1各类型煤气柜钢材消耗量公称柜容／m3总用钢量／t单位容积用钢量／kg·m一3湿式干式湿式干式200003000050000100000150000200000300000372．0473．8660．11256．01372．O1352．72700508．8668．8900．71430．11975．52093．4262618．6015．7913．2012．569．159．279．OO26．4720．9017．9514．2611．9710．468．75除锈涂层为提高气柜抗腐蚀性能，在涂漆前要认真除锈，去除焊渣、毛刺、油污，并选择质